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Licht: Abenteuerspielplatz

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
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Licht: Abenteuerspielplatz
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Kurzbeschreibung
Mit Hilfe der Interferenz und Beugung sollen die Eigenschaften von Licht untersucht werden und ein Konzeptaufbau zwischen der alltäglichen Farbwahrnehmung und der physikalischen Größe der Wellenlänge stattfinden.
Kategorien
Optik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. II
Basiskonzept: System
Sonstiges
Durchführungsform Stationsaufbau, Schüler*innen-Experiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus leicht bis mittel
Informationen
Name: Alexander Pankratov
Kontakt: \text{pankraal}@\text{hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Dr. Franz Boczianowski
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Diese Stationsarbeit beschäftigt sich mit den spektralen Eigenschaften von verschiedenen Lichtquellen. Mit Hilfe der Grundlagen der Interferenz und Beugung soll durch Zerlegung von Licht der Spektrumbegriff eingeführt werden und ein Konzeptaufbau zwischen der alltäglichen Farbwahrnehmung und der physikalischen Größe der Wellenlänge stattfinden. An dieser Stelle wird auch der Unterschied zwischen der (analogen) Wahrnehmung und digitalen Erfassung/Verarbeitung von Licht und Farbe thematisiert.


Didaktischer Teil

Lernen an Stationen

Lernen an Stationen ist der didaktische Schwerpunkt dieser vorgestellten Experimentierreihe. Lernen an Stationen ist dadurch charakterisiert, dass die Stationen in sich inhaltliche geschlossene Lernräume bilden und an eine feste Lokalität (Klassenzimmer, Ecke des Zimmers etc.) gebunden sind. Jede Station vermittelt entweder einen fachlichen (z.B. Teilthema) oder fachdidaktischen Förderschwerpunkt (Einzelarbeit, Gruppenarbeit, Partnerarbeit etc.) und trägt zum Gesamtthema bei[1]. Die Aufteilung des Themas in Stationen erlaubt es das Thema in sinnvolle Abschnitte zu zerlegen und baut damit einen Lernweg für die Schüler_innen, an denen sie sich orientieren können und ihn selbst beschreiten. Die Stationen müssen nicht zwingend ineinander übergreifen oder anknüpfen, da jede Station entlang des Lernweges einen Teil zur Gesamtaussage des Themas beiträgt, welche am Ende dieselbe ist. Das schließt auch damit ein, dass an jeder Station der ganzen Reihe eingestiegen werden kann, ohne dass es dem Lernen an Stationenprinzip abträglich ist [2].

Vorteile am Stationslernen sind u.a.[3]:

  • dass sie selbstorganisiertes Lernen mit hoher Eigenständigkeit ermöglicht,
  • dass „erfolgreiches Lernen“ wiederholt und nachvollzogen werden kann,
  • dass es eine Methodenvielfalt bzw. Vielfalt der Lernwege gibt,
  • dass der Schüler selbstwirksame und selbstregulative Kompetenzen fördern kann


Aus praktischer Sicht hingegen ist die Lernumgebung beim Stationslernen besonders lernförderlich. Einerseits erleben Schüler ein ungewohntes Maß an Freiheit und Selbstständigkeit, andererseits kann es motivierend wirken für Schüler eine Gelegenheit zu bekommen eigene Vorgehensweisen nach ihren Vorstellungen und Stärken zu entwickeln. Der Lernende ist dabei selbst von seinem Lern- bzw. Erfolgsweg verantwortlich, was auf die Arbeitsaktivität und -motivation verstärkt wirken kann. Das Stationslernen enthemmt und löst das Geschehen von der klassischen Unterrichtsumgebung ab, sodass auch mehr Toleranz und Offenheit zum Wissenserwerb entstehen kann. Durch die Verknüpfung von kooperativen Arbeitsformen und Selbstständigkeit können Gruppenarbeiten teambildende sowie kommunikative Kompetenzen gezielt gefördert werden [4]. Einerseits kann es für Schülerinnen und Schüler als eine Herausforderung wirken selbst agieren zu müssen, andererseits begleiten die Teilnehmer sich beim Arbeitsprozess und können auf sich gemeinsam einwirken und sich so gegenseitig während der Arbeit kontrollieren und motivieren, aber auch anregen und beim Arbeitsprozess unterstützen.

Lernziele des Stationsaufbaus

Insgesamt werden mit der Stationsarbeit folgende Lernziele für Schüler verfolgt:

  • Wiederholung der Grundlagen von Interferenz und Beugung (persistent)
  • lernen den Spektrumbegriff kennen, und können Spektren, ausgehend von bestimmten Gesichtspunkten untersuchen und vergleichen (persistent)
  • lernen, dass Lichtquellen unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, die im Farbspektrum der Lichtquelle erkennbar sind (Experiment 1)
  • verschiedene Erzeugungsmöglichkeiten von Licht einen Einfluss auf den Charakter des Farbspektrums einer Lichtquelle haben können (Experiment 1)
  • lernen die Bedeutung von optischen Filtern und ihre Wirkung auf das Farbspektrum einer Lichtquelle (Experiment 2)
  • Konzeptaufbau des Farbe-Wellenlängen-Begriffs (Experiment 1, 2, 3)
  • lernen Unterschiede und Gemeinsamkeiten der physiologischen Wahrnehmung und der digital-optischen Datenerfassung kennen. (Experiment 3)

Verknüpfung der Stationen

Die drei Stationsexperimente sind sehr eng miteinander verknüpft und bauen aufeinander auf. Trotz dieser Abhängigkeit untereinander macht es keinen Unterschied, an welchem Aufbau man die Arbeit beginnt. Diese Unabhängigkeit besteht darin, dass zu Beginn an allen Stationen derselbe Durchführungsschritt exerziert wird. Zu Beginn werden immer die zu untersuchenden Lichtquellen mit der Kreuzgitterbrille betrachtet und die Spektren skizziert oder mit dem Handy aufgenommen. Dieses Vorgehen schafft für die jeweilige Station eine ähnliche Grundlage, ehe es dann zum Schwerpunkt der Station weiter geht. Das Konzept Farbe-Wellenlänge, welches in dem gesamten Stationsaufbau vermittelt werden soll, wird Station für Station weiter aufgebaut und das aus zwei verschiedenen Richtungen. Schüler_innen, die mit dem ersten Versuch beginnen, nähern sich über die Interferenzbedingung (wellenlängenabhängige Ablenkwinkel am Gitter) und der Wellenlänge (rotes Licht hat hohen Ablenkwinkel = langwellig, blaues Licht hat kleinen Ablenkwinkel = kurzwellig) dem Farbbegriff, während Schüler_innen, die mit dem dritten Versuch begonnen haben den Farb- und Wellenlängenbegriff simultan vermittelt bekommen, und anschließend die Wissenslücken mit den weiteren Experimenten und den Grundlagen der Interferenz und Beugung gefüllt werden. Dadurch wird ermöglicht, dass man bei jeder Station problemlos einsteigen kann.

Erweiterungs- und Verbesserungsmöglichkeiten

Der Abenteuerspielplatz: Licht ist als Stationsaufbau gestaltet worden. Da dieser Aufbau in kurzer Zeit entwickelt wurde, ist er in seinen Möglichkeiten noch nicht ausgeschöpft und muss weiterentwickelt werden. Als Erweiterungsmöglichkeiten kämen beispielsweise weitere Experimente in Frage. Ein weiteres Stationsexperiment, dass sich mit den Grundlagen der Interefenz und Beugung wäre besonders ratsam. Es sollte zur Wiederholung diese Phänomene mit einem Einfachspalt durchgeführt werden, um an Vorkenntnisse der Quantenphysik anschließen zu können, und mit einem Mehrfachspalt (am besten mit dem optischen Gitter vergleichbarer Struktur) weiter aufbauen. Die Wiederholung bzw. erneute Erarbeitung dieser Grundlagen ist elementar für die Untersuchung und Analyse der Spektren, da viele Erklärungen auf der Interferenz und Beugung, sowie auf deren Bedingungen beruhen. Zu diesem Zwecke kann man folgenden bereits bestehenden Wiki-Artikel von Tom Leonhardt zum Thema Interferenz und Beugung in die Stationsarbeit einbinden. In diesem Artikel werden diese Welleneigenschaften im Experiment am Beispiel der CD gut dargelegt.
Das zweite Stationsexperiment könnte durch die Verwendung eines weitere USB-Spektrometers noch anschaulicher und systematischer gehandhabt werden. Die Spektren des gefilterten Lichts wären eindeutig durch die Absorbtionskanten des Filters erkennbar, und einige Filterparameter, wie Halbwertsbreite, Durchlasstiefe oder die Filterwellenlänge graphisch ermittelt bzw. abgelesen werden. Die Bedeutung der Verwendung von optischen Filtern würde dadurch verstärkter vermittelt werden.
Ein weiterer Aufbau könnte sich vertieft mit der Beobachtung von diskreten Spektrallinien von weiteren Metalldampflampen oder auch von Edelgasenlampen beschäftigen. Simona Bollmann hatte in ihrem Demonstrationsvortrag zum Thema "Elektrische Leitungsvorgänge in Gasen und Vakuum" die diskreten Spektren von mehreren Gasentladungslampen (Wasserstoff, Neon, Helium, Krypton, Argon) mit Hilfe eines Prismas und einem Strichgitter gezeigt. Auf die Bedeutung von diskreten Spektrallinien, die teilweise nur von Elementen erzeugt werden, wird im Rahmen dieser Stationsarbeit wenig eingegangen. Gerade an dieser Station kann man Kenntnisse aus der Quanten- bzw. Kernphysik wiederholen und damit jene elektronischen Übergänge, die für die jeweilige sichtbare Spektrallinie sind, berechnen. Weiterhin ist an dieser Stelle auch möglich das Prisma als Hilfsmittel zur spektralen Zerlegung von Licht einzuführen.

Bildungswert für den Schüler

Trotz der wohlweislichen Lücken hat der bisherige Aufbau einen großen Bildungswert. In dieser Stationsarbeit wird das Konzept der elektromagnetischen Welle, sowie deren wellenmechanische Eigenschaften, in Einklang mit dem Farbbegriff gebracht. Besonders motivierend wirkt, dass man in dieser Stationsarbeit erstmals damit beginnt Farbe zu beobachten und zu "messen". In keinem anderen Themengebiet der Physik bekommt man die Gelegenheit auf diese Art und Weise seine Sinneswahrnehmungen als Erfassungsmittel für einen physikalischen Zusammenhang zu nutzen, um dann z.B. Farbeindrücke zu systematisieren und zu messen. Die Alltagswahrnehmung hierbei direkt in den Messvorgang als das Vorgehen eingebunden. Für Schüler kann es in dem Kontext als unvorstellbar wirken, dass man Farbe "messen" und auf physikalische Größen beziehen und daraus wertvolle Informationen sammeln kann, wie beispielsweise die spektralen Eigenschaften einer Lichtquelle. Besonders, weil die Wahrnehmung von Farbe ein so alltäglicher Prozess ist, dass man oft Farben in seiner Umgebung wenig bewusst beachtet, außer es sei von Nöten Farbeindrücke für eine Bewertung heranzuziehen. Daran knüpft auch an über Farbwahrnehmung im physiologischen Sinne zu sprechen, und mit welchen Mitteln man Farbe messbar machen kann.

Vorwort zu den Stationsexperimenten

Für die Durchführung aller Stationsexperimente wird eine Lochblende und eine Kreuzgitterbrille benötigt. Die Kreuzgitterbrille fungiert als das Hauptuntersuchungswerkzeug (siehe Abb.2). Durch die feine gitterartige Struktur (200 Litzen/mm) der Papiergläser finden beim Durchgang von Licht am Kreuzgitter optische Interferenz und Beugung statt. Die Beugungsbilder bzw. das aufgespaltene Spektrum der Lichtquelle wird dabei auf unsere Netzhaut projiziert, sodass wir es durch die Brille erkennen können. Die Gitterbrillen können fast überall im Internet (z.B. Amazon) erstanden werden. Die hier verwendeten Gitterbrillen wurden von www.perspektrum.de unter "Brille Multispekral" [5] bezogen. Die Lochblende hat die Funktion einer Begrenzung. Durch den Blendendurchmesser soll der betrachtbare Bereich der Lichtquelle gezielt eingestellt werden können, damit man nicht vom Gesamteindruck der Lichtquelle abgelenkt wird und sich nur auf das durchgelassene Licht konzentrieren kann.

Abb.1: Verstellbare Lochblende
Abb.2: Kreuzgitterbrille (g = 200/mm)

1. Stationsexperiment: Licht ist nicht gleich Licht

Ziel des ersten Experiments ist es verschiedene Arten von Lichtquellen mit Hilfe einer Gitterbrille in seine Spektralfarben zu zerlegen und durch die Brille zu beobachten. Dabei sollen die Lichtquellen nach der Zerlegung miteinander verglichen werden und Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausgearbeitet werden.

Aufbau

Folgende Materialien werden für die Durchführung des Experiments benötigt:

  • 60 W Glühlampe mit handelsüblicher Standfassung
  • 50 W Glühlampe mit blaugetönter Birne
  • 50 W Halogenleuchtröhre mit handelsüblicher Standfassung
  • Tafelkerze mit Streichhölzern
  • LED-Taschenlampe
  • Cadmium-Spekrallampe (auf dem Bild nicht gezeigt)


So könnte der Aufbau beispielhaft aussehen:

Abb.1: Möglicher Aufbau auf einem Tisch.

Je nach räumlicher Möglichkeiten kann der Stationsaufbau auf einem großen Tisch oder in einem größeren Raumbereich verteilt platziert werden. Beim Tischaufbau sollte darauf geachtet werden, dass nicht alle Lichtquellen gleichzeitig leuchten, um Verwirrungen und Einflüsse durch die anderen Lichtquellen zu vermeiden.

Ergänzende Anmerkungen:

  • Als Alternative für die Standfassung der Glühlampe können ebenso Fassungen aus einem Schaltbaukasten verwendet werden.
  • Die Leuchtstoffröhre kann auch durch einen Halogenleuchtstab (oder vergleichbarem) ersetzt werden.
  • Die Tafelkerze wurde hier in eine Halterung für optische Geräte zur Befestigung auf einer optischen Bank eingespannt.
  • Die blauegefärbte Birne sollte in jede handelsübliche Nachttischlampe passen.

Durchführung

Die Gitterbrille wird aufgesetzt und die Lochblende wird zuerst auf den kleinstmöglichen Durchmesser eingestellt und auf einem Ständer befestigt. Die Lochblende wird im Abstand von 30 cm zur Lichtquelle und zum Auge platziert und möglichst auf die Höhe der Lichtquelle gebracht. Alternativ kann die Blende auch im entsprechenden Abstand vor dem Auge gehalten werden. Die Lichtquelle wird zunächst ohne Brille einige Sekunden betrachtet und anschließend mit der Brille. Auf diese Dinge sollen beim Beobachten der Lichtquelle bzw. des aufgespaltenen Spektrums beachtet werden:

  • Farbeindruck der Lichtquelle (ohne Brille)
  • Breite und Form der Farbdomänen (mit Brille)
  • Abstände zwischen den Farbdomänen (mit Brille)
  • Helligkeit der Farbdomänen (mit Brille)

Die entstandenen Spektren können entweder skizziert werden oder mit einer Handykamera abfotografiert werden. Dazu schneidet man ein Fenster von der Gitterbrille ab und klebt das Fenster auf die Kameralinse mit Tesafilm. Anschließend können, wie gewohnt, Fotos aufgenommen werden. Auf dem aufgenommenen Bild erkennt man dann ein identisches Spektrum. Das Vorgehen wird für jede zu untersuchende Lichtquelle wiederholt.

Ergebnisse

Im Folgenden werden die Lichtquellen und ihre jeweiligen Spektren dargestellt. Darstellt sind die Spektren für die Glühlampe, Halogenleuchte, LED-Taschenlampe und der Cadmium-Metalldampflampe. Zusätzlich sind noch die Spektren einer Kerze und der blaugefärbten Birne vermerkt. Die Beobachtungen sind entsprechend neben den dargestellten Aufnahmen formuliert.

Abb.1.1: Glühlampe (60 W)
Abb.1.2: Spektrum einer Glühlampe
Die Glühlampe hat ein warmes gelb-orangenes Licht. Die Intensität nimmt mit weiteren Beugungsordnungen ab, die Auftrennung der Domänen hingegen zu. Trotz Auftrennung erhält man ein kontinuierliches Spektrum mit einer identischen Farbdomänenverteilung. Die Farben Grün, Rot und Blau sind dominant und identisch intensiv. Die blaue Farbdomäne mischt sich an einigen Stellen mit der roten Farbdomäne der nächsten Beugungsordnung, sodass ein violetter Farbeindruck entsteht. Das Spektrum ähnelt insgesamt einem Streifen.
Abb.2.1: Halogenleuchte (50 W)
Abb.2.2: Spektrum einer Halogenleuchte
Die Halogenlampe hat ein kühles weißes Licht. Die Intensität nimmt mit weiteren Beugungsordnungen ab, die Auftrennung der Domänen stark zu. Farbdomänen liegen gut getrennt voneinander vor. Die Farbe Blau ist im Vergleich zu Rot sehr dominant und intensiver. Der blaue Lichtanteil ist am größten. Das Spektrum sieht durch den kleinen Blendendurchmesser "punktartig" aus.
Abb.3.1: LED-Taschenlampe
Abb.3.2: Spektrum einer LED-Taschenlampe
Die LED-Taschenlampe hat ein kaltes intensives weiß-bläuliches Licht. Die Intensität nimmt mit weiteren Beugungsordnungen ab, die Auftrennung der Domänen hingegen zu. Die Auftrennung ist relativ schwach und man erhält auch hier ein kontinuierliches Spektrum. Die blaue Farbdomäne mischt sich mit der roten Farbdomäne der nächsten Beugungsordnung, sodass ein violetter Farbeindruck entsteht. Die Farbe Blau ist sehr dominant und am intensivsten. Im Spektrum ist eine Lücke zwischen der blauen und der grünen Farbdomäne erkennbar. Das Spektrum ähnelt insgesamt einem Streifen.
Abb.4.1: Cadmium-Dampflampe (1 A)
Abb.4.2: Spektrum einer Cadmium-Dampflampe
Die Cadmium-Lampe hat ein intensives hellblaues Licht. Die Intensität nimmt stark mit weiteren Beugungsordnungen ab, die insgesamte Auftrennung der Domänen hingegen sehr stark zu. Die rote Farbdomäne wird am stärksten vom Eintrittspalt weg aufgespalten, wogegen die blaue Farbdomäne weniger stark aufgespalten wird. Man erhält, anders als bei den anderen Lichtquellen, ein diskretes Spektrum bestehend aus mehreren Spektrallinien. Die Intensität der Spektrallinien wirkt identisch. Das Spektrum ähnelt insgesamt mehreren Strichen, die dem Spaltbild entsprechen.
Abb.5.1: Kerze
Abb.5.2: Spektrum einer Kerze
Die Glühlampe hat ein sehr warmes orange-rotes Licht. Die Intensität nimmt mit weiteren Beugungsordnungen ab, die Auftrennung der Domänen ist relativ schwach. Man erhält ein kontinuierliches Spektrum, welches recht schwach und verschwommen ist. Das liegt vermutlich an der Bewegung der Flamme und der nicht konstanten Helligkeit. Die Farben Rot und Gelb sind im Spektrum dominant. Das Spektrum ähnelt insgesamt einem Streifen.
Abb.6.1: Blaugefärbte Glühlampe (50 W)
Abb.6.2: Spektrum einer blaugefärbten Glühlampe
Die Glühlampe hat ein kühles blau-grünes Licht. Die Intensität nimmt mit weiteren Beugungsordnungen ab, die Auftrennung der Domänen ist sehr schwach. Man erhält ein kontinuierliches Spektrum, welches nur aus den Farben Grün bis Blau. Die blaue Farbdomäne ist dominant und am intensivsten. Die grüne Farbdomäne nimmt dabei nur einen geringen Teil des Spektrums ein. Man erkennt rote Reflexe, welche auf die beschädigte Farbschicht der Glühlampe zurückzuführen sind.

Auswertung

Beugung und Interferenz am Kreuzgitter und Spektrumbegriff

Die Kreuzgitterbeugungsbilder zeigen deutlich, dass das Licht von Quelle zu Quelle andere spektrale Eigenschaften besitzt. Die Beugungsbilder sich durch optische Interferenz und Beugung am Kreuzgitter der Brille entstanden. Das Licht der Quelle durchtritt das Gitter als Hindernis in Teilstrahlen (Beugung), wodurch sie einen definierten Gangunterschied zueinander bekommen. Nach der Beugung am Gitter sind die Teilstrahlen in der Lage sich, entsprechend ihrer Gangunterschiede, konstruktiv oder destruktiv zu überlagern, sodass daraus eine Bedingung für die jeweilige Art der Interferenz resultiert. Die Interferenzbedingung für konstruktive Interferenz am Kreuzgitter ergibt sich zu[6]:

\ n \cdot \lambda = G \cdot \sin(\varphi)


mit: \lambda = Wellenlänge, G\, = Flächengitterkonstante, n\, = Ordnung des Hauptmaximums, \varphi = Ablenkwinkel der betrachteten Beugungsordnung

Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass der Ablenkwinkel der interferierenden Teilstrahlen von der Wellenlänge abhängt. Es zeigt sich, dass Licht kleinerer Wellenlängen (z.B. blaues Licht) weniger stark als Licht größerer Wellenlängen (z.B. rotes Licht) abgelenkt wird. In der 0. Beugungsordnung tritt keine Auffächerung auf. Für Licht, egal welcher Art, bedeutet das, dass jeder Wellenlängenanteil im Licht eine andere Interferenzbedingung erfüllen muss, wodurch das Licht über seinen gesamten Wellenlängenbereich aufgespalten wird. Man spricht auch von einer Spektralzerlegung, und das aufgespaltene Beugungsbild nennt man Spektrum. Als Spektrum versteht man eine Verteilung einer physikalischen Größe über ein Mengenmaß [7]. In diesem Fall ist die Intensität des Lichtes beim Durchgang durch das Gitter auf Wellenlängen bzw. Farbe verteilt. Im Experiment konnte die beschriebenen Beugungs- und Interferenzerscheinungen genau beobachtet werden. Die nullte Beugungsordnung lag zentral im Beugungsbild, während die weiteren Beugungsordnungen um die nullte Ordnung herum sichtbar waren. Man konnte ebenso erkennen, dass blaue Lichtanteile näher zur Hauptordnung lagen als die roten Lichtanteile. Die restlichen Farbanteile haben sich entsprechend dazwischen eingeordnet. Durch die Spektralzerlegung der Farbanteile durch das Kreuzgitter erkennt man gut, dass es sich bei den roten Farbanteilen um langwelliges Licht handeln muss, da die Ablenkung von der 0. Beugungsordnung sehr groß ist im Vergleich zu den filtrierten blauen Farbanteilen. Umgekehrt bedeutet es dann, dass es sich bei den blauen Farbanteilen um kurzwelliges Licht handeln muss.

Spektrale Eigenschaften der Lichtquelle

Die Kreuzgitterspektren zeigen, dass die Gestalt der Spektren (Helligkeit, Form, Farbverteilung und Farbanteile) von Lichtquelle zu Lichtquelle variiert. Die Ursache hierfür liegt in der Erzeugung des Lichtes der jeweiligen Quelle:

  • Glühlampe: Licht entsteht durch Umsetzung von elektrischer Energie zu thermischer Energie
  • Kerze: Licht entsteht durch die Umsetzung chemischer Energie zu thermischer Energie
Die Spektren der Glühlampe und der Kerze sind sich sehr ähnlich, da beide Lichtquellen Licht auf ähnliche Art und Weise erzeugen.
  • LED-Taschenlampe: Licht entsteht durch elektrische Halbleiterübergänge vom Valenz- ins Leitungsband
Die beobachtbare Lücke im Spektrum ist charakteristisch für LEDs. Diese Lücke entspricht näherungsweise der Bandlücke des elektrischen Halbleiterüberganges.
  • Halogenleuchte: Stoßionisation von Halogenmolekülen
  • Metalldampflampe: atomare Elektronenübergänge
Da der Übergang von einem Energieniveau ins höher liegende Energieniveau eine Anregungsenergie, die exakt der Energiedifferenz der beiden Niveaus entspricht, benötigt, ergeben sich dadurch diskrete Übergänge. Nach einer Relaxation in den Grundzustand wird Licht der Wellenlänge \lambda=\frac {h\cdot c}{\Delta E}\ emittiert. Da der innere Aufbau jedes Elements unterschiedlich ist, ergeben sich jeweils andere Spektrallinien. Die beobachteten Spektrallinien sind für Cadmium charakteristisch.

Sicherheitshinweise

Bei der Bearbeitung dieses Stationsexperiments sind folgende Dinge zu beachten:

  • Zum Schutz der Augen sollte die Lochblende, aufgrund seiner Fokussierung des Lichtes, niemals direkt vor die Gitterbrille gehalten werden. Ein Abstand von 30 cm vom Auge weg ist ausreichend.
  • Da Metalldampflampen teilweise sehr intensives Licht ausstrahlen, ist der direkte Blickkontakt mit der Dampflampe unbedingt zu vermeiden. Es empfiehlt sich die Lampe mit einem dünnen Spalt abzudecken. Der Spalt kann dann aus einer Entfernung von ca. 50 - 100 cm betrachtet werden, sodass man mit der Gitterbrille ähnliche Ergebnisse erhält wie auf der Abb.X zu erkennen ist.

2. Stationsexperiment: Optische Filter

Dieses Stationsexperiment beschäftigt sich mit der Verwendung und Bedeutung von optischen Filtern.

Aufbau

Folgende Materialien werden für die Durchführung des Experiments benötigt:

  • 60 W Glühlampe mit handelsüblicher Standfassung
  • 50 W Glühlampe mit blaugetönter Birne
  • Farbfilter 405 nm (Carl Zeiss, Jena, Farbnr. H314/1)
  • Farbfilter 491 nm (Carl Zeiss, Jena, Farbnr. H151/9)
  • Farbfilter 542 nm (Carl Zeiss, Jena, Farbnr. H343/5)
  • Farbfilter 650 nm (Carl Zeiss, Jena, Farbnr. 35542/1)
  • Verlaufsfilter (Carl Zeiss, Jena)


So könnte der Aufbau beispielhaft aussehen:

Abb.1: Möglicher Aufbau auf einem Tisch.


Ergänzende Anmerkungen:

  • Alternative Filter kann man sich aus Farbfolie für Beleuchtungstechnik basteln.[8]

Durchführung

Die Kreuzgitterbrille wird aufgesetzt und die zu untersuchende Lichtquelle im entsprechenden Abstand betrachtet. Anschließend wird einer der optischen Filter vor das Auge gehalten. Die Kreuzgitterbilder können auch mit dem Handy für den späteren Vergleich fotografiert werden. Dafür wird ein Gitterfenster der Brille auf die Kameralinse geklebt und der Filter davor gehalten. Die Verwendung des Verlaufsfilters ist analog. Dazu wird entweder links oder rechts vom Verlaufsfilter aus begonnen und anschließend vor die Lichtquelle geführt. Dabei sollte mehrmals abwechselnd durch und über den optischen Filter geblickt werden, wenn man einen neuen Farbabschnitt erreicht hat.

Ergebnisse

Abb.1.1: Kreuzgitterspektrum der Glühlampe
Abb.1.2: Rotfilter
Abb.1.3: Grünfilter
Abb.1.4: Blaufilter
Abb.1.5: Dunkelblaufilter
Das Kreuzgitterbild hat sich sehr verändert. Das Beugungsbild ist nicht mehr streifenartig, sondern sieht ähnlich aus mit der Glühwendel der Lampe. Alle Farbanteile sind bei der Betrachtung durch den jeweiligen Filter verschwunden, außer er entspricht der Farbe des Filterglases. Weiterhin gibt es dennoch Gemeinsamkeiten. Nach wie vor liegt die 0. Beugungsordnung in der Mitte und die weiteren Beugungsordnungen sind im Quadratmuster herum angeordnet. Die Helligkeit nimmt mit den Beugungsordnungen stark ab. Es fällt zusätzlich auf, dass die gefilterten roten Farbanteile einen größeren Abstand zur 0. Beugungsordnung aufweisen als die gefilterten blauen Farbanteile. Vergleicht man die Position der jeweiligen gefilterten Farbanteile im Beugungsbild, so entsprechen diese Positionen denselben im Kreuzgitterbild.
Abb.2.1: Kreuzgitterspektrum der blaugetönten Glühlampe
Abb.2.2: Grünfilter
Abb.2.3: Dunkelblaufilter
Abb.2.4: Rotfilter
Im Falle der blaugetönten Glühlampe lässt sich ähnliches wie oben beobachten. Hier entspricht das Beugungsbild der Glühlampe und der Glühwendel selbst. Erkennbar sind nur Farbanteile von Grün und Blau, wobei der blaue Farbanteil näher zur 0. Beugungsordnung liegt, als der grüne Farbanteil. Überraschenderweise erkennt man durch die Betrachtung am Rotfilter auch rote Farbanteile, die eine unregelmäßige Textur haben.


Video zu den Beobachtungen mit dem Verlaufsfilter:

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Video: Verlaufsfilter

Auswertung

Mit Hilfe der optischen Filter konnte man die Eigenschaften der Interferenz und Beugung an der Gitterbrille anschaulich beobachten. Da sich, aufgrund des Durchtritts des Lichts durch die gitterartige Struktur der Brille, das Licht in Teilstrahlen aufspaltet und hinter dem Gitter interferiert, ergibt sich folgende Interferenzbedingung:

\ n \cdot \lambda = G \cdot \sin(\varphi)


mit: \lambda = Wellenlänge, G\, = Flächengitterkonstante, n\, = Ordnung des Hauptmaximums, \varphi = Ablenkwinkel der betrachteten Beugungsordnung

Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass nicht nur jede Wellenlänge des Lichts diese Bedingung separat erfüllen muss, sondern sich mit größer werdenden Wellenlängen der Ablenkwinkel von der 0. Beugungsordnung vergrößert. Durch die Separation der Farbanteile durch die Filter erkennt man also gut, dass es sich bei den roten Farbanteilen um langwelliges Licht handeln muss, da die Ablenkung von der 0. Beugungsordnung sehr groß ist im Vergleich zu den filtrierten blauen Farbanteilen. Umgekehrt bedeutet es dann, dass es sich bei den blauen Farbanteilen um kurzwelliges Licht handeln muss.
Die blaugetönte Glühlampe besitzt rote Farbanteile im gefilterten Spektrum, da anscheinend die Blautönung nur durch eine entsprechende Beschichtung erzeugt wird. Die Beschichtung ist jedoch an einigen Stellen an der Oberfläche nicht mehr intakt, sodass anteilig auch Licht durch die feinen Defektstellen entlassen wird, dass noch rote Farbanteile enthält. Wäre die Beschichtung intakt gewesen, so hätte man beim Blick durch den Filter nichts erkennen können.

Die optischen Filter verändern das eigentliche Spektrum der Lichtquelle nicht. Sie filtern lediglich nur die Farbanteile aus dem Licht heraus, für welche er konstruiert wurde. Ein grüner Farbfilter filtert demnach nur grüne Farbanteile aus dem Licht. Demnach wird ein Grünfilter andere Farbanteile nicht durchlassen. Diese beiden Effekte konnten im Experiment gut beobachtet werden. Dass sich das betrachtene Spektrum nicht verändert hat, wird besonders dadurch deutlich, dass die Positionen der Beugungsbilder beim Blicken durch den Filter des jeweiligen Farbanteils identisch mit der Position im Kreuzgitter sind.

3. Stationsexperiment: Wahrnehmung vs. digitale Messung

Ziel des dritten Stationsexperiments ist der Konzeptaufbau zwischen Farbwahrnehmung und der Wellenlänge als physikalischer Größe. Mit Hilfe eines Spektrometers werden die Spektren von verschiedenen Lichtquellen digital erfasst und mit dem erzeugten Spektrum der Gitterbrille verglichen. Es werden auch die Grenzen der physiologischen Farbwahrnehmung aufgegriffen und die Vorzüge digitaler Messungen thematisiert.

Aufbau

Folgende Materialien werden für die Durchführung des Experiments benötigt:

  • Oceanwave USB-Spectrometer USB2000+ [9]
  • Halterung für das Spektrometer
  • Laptop
  • SpectraLab 1.14 Software - LD Didactics [10] (oder andere Erfassungssoftware)
  • Lichtquellen (wie im Stationsexperiment 1)
  • Gitterbrillen
  • ggf. eine Hebebühne oder Untersetzer (aus Holz, Bücher etc.)


So könnte der Aufbau beispielhaft aussehen:

Abb.1: Möglicher Aufbau auf einem Tisch.


Ergänzende Anmerkungen:

  • Die Halterung für das Spektrometer kann aus Stativmaterial zusammengebaut werden. Auf dem Bild oben kann man einen solchen improvisierten Aufbau erkennen.
  • Für dieses Stationsexperiment wurden die Glühlampe, die LED-Taschenlampe und die Cadmium-Metalldampflampe als Lichtquellen ausgesucht.

Durchführung

Nachdem die Software gestartet und der Laptop mit dem Spektrometer verbunden wurde, wird im Programm in der oberen Funktionsleiste auf die Schaltfläche "Intensität I1=I-I0" geklickt, um den aktuellen Messmodus auszuwählen. Es sollte nun entlang der X-Achse entweder Rauschen oder bereits ein Spektrum zur Live-Vorschau erscheinen (sofern schon Licht auf das Messkabel fällt). Anschließend muss der Abstand vom Messkabel zur Lichtquelle kalibriert werden. Dazu wird erst das Messkabel möglichst zentral auf die zu untersuchende Lichtquelle gerichtet und auf dessen Höhe gebracht (dafür ggf. Halter oder Hebebühne nutzen). Anschließend wird der Abstand vom Messkabel zur Lichtquelle solange variiert, bis keine Intensitätsüberhöhungen auf der Y-Achse (I/I0 %) im Programm erscheinen (also die Höhe des Spektrums nicht größer als 80% bis 90% beträgt, und nicht verzerrt abgebildet wird). Wird das Spektrum korrekt abgebildet, so kann man in der oberen Funktionsleiste auf die Schaltfläche "Spektrum aufnehmen" ▶ klicken. Das rote Symbol ⬤ am oberen Rand zeigt dann an, dass sich das Spektrometer im Aufnahmemodus befindet. Nach einigen Sekunden kann die Aufnahme durch den einen Klick auf die Schaltfläche "Aufnahme beenden" ◼ beendet werden. Über das Kontextmenü des obersten Rands kann das Spektrum unter "Datei" als Bild-Datei oder als Excel-Tabelle gespeichert werden. Nach dem Messvorgang kann nun mit der Gitterbrille das Spektrum der Lichtquelle mit dem digital erfassten Spektrum verglichen werden.

Ergebnisse

Im Folgenden werden die Lichtquellen, ihre Kreuzgitterspektren und ihre jeweiligen digital erfassten Spektren dargestellt. Darstellt sind die Spektren für die Glühlampe, LED-Taschenlampe und der Cadmium-Metalldampflampe.

Abb.1.1: Glühlampe (60 W)
Abb.1.2: Kreuzgitterspektrum einer Glühlampe
Abb.1.3: Spektrum einer Glühlampe
Der Vergleich zeigt, dass die Farbdomänen im digitalen Spektrum nicht gleich verteilt sind. Der grüne, gelbe und rote Anteil des Lichts sind viel mehr als der blaue Anteil vertreten. Im Wellenlängenbereich ab 400 nm ergeben sich violette Farbanteile, die im Kreuzgitterspektrum nur an einigen Stellen beobachtbar waren. Im Kreuzgitterspektrum hatte man den Eindruck, dass alle Farbdomänen gleich intensiv sind. Das digitale Spektrum zeigt, dass die rote und gelbe Farbdomäne am intensivsten sind. Zusätzlich wird ein im Kreuzgitterspektrum nicht beobachtbarer Bereich aufgezeichnet.
Abb.2.1: LED-Taschenlampe
Abb.2.2: Kreuzgitterspektrum einer LED-Taschenlampe
Abb.2.3: Spektrum einer LED-Taschenlampe
Der Vergleich zeigt, dass, wie auch im Kreuzgitterspektrum beobachtet, die blaue Farbdomäne das Spektrum dominiert (von 430 nm bis 500nm) und am intensivsten ist (I/I0 bei fast 90%). Desweiteren kann man auch die Lücke zwischen der blauen und grünen Farbdomäne im digitalen Spektrum erkennen. Jedoch mit dem Unterschied, dass es noch einen sehr schwach intensiven blaugrünen Anteil (I/I0 bei ca. 5%) gibt, der die Lücke ausmacht. Auch hier ergeben sich im Wellenlängenbereich ab 400 nm violette Farbanteile, die im Kreuzgitterspektrum gut beobachtbar waren. Der rote Anteil ist am schwächsten intensiv (I/I0 ab unter 15%) und nur im Bereich von 650 nm bis 700 nm vertreten.
Abb.3.1: Cadmium-Dampflampe (1 A)
Abb.3.2: Kreuzgitterspektrum einer Cadmium-Dampflampe
Abb.3.3: Spektrum einer Cadmium-Dampflampe
Der Vergleich zeigt, dass das Kreuzgitter- und das digitale Spektrum sich, bis auf die nicht beobachtbare Linie ab 360 nm, phänomenologisch miteinander übereinstimmen. Im Kreuzgitterspektrum wirkten die Intensitäten der Spektrallinien identisch. Das digitale Spektrum zeigt jedoch, dass die hellblaue (I/I0 bei ca. 90%) und die grüne Spektrallinie (I/I0 bei ca. 95%) am intensivsten sind, während die blaue (I/I0 bei ca. 50%) und die rote Spektrallinie (I/I0 bei ca. 20%) nur schwach intensiv sind.


Auswertung

Wahrnehmung und digitale Erfassung

Die Kreuzgitterspektren sind vergleichbar mit den digitalen Spektren. Die Farbverteilungen sind eindeutig erkennbar und sind teilweise identisch. Die Gestalt der Spektren kann mit dem Auge nicht zugeordnet werden, da die Beugungsbilder stets von der Geometrie des Beugungsgitters bzw. vom Eintrittsspalt abhängt. Dadurch erhält man z.B. entweder ein Strichmuster bei einer Spaltblende oder Streifenmuster bei einem Kreuzgitter. Die Helligkeit bzw. die Intensität der jeweiligen Farbdomänen konnte mit dem Auge weniger korrekt eingeschätzt werden. In der Abb.1.2/1.3 hatte es den Anschein, dass alle Farbdomänen eine identische Helligkeit aufweisen, das digitale Spektrum dem jedoch widersprach. Das menschliche Auge ist zwar gut darin Helligkeitsunterschiede zu erkennen, jedoch nur bei Unterschieden, die minds. eine halbe bis eine Größenordnung betreffen[11]. Kleine Nuancen sind mit dem Auge nur schwer erkennbar. Darüberhinaus ist das Auge physiologisch für blaue, rote oder violette Farbreize nur wenig empfindlich, wogegen grüne und gelbe Farbreize verstärkt wahrgenommen werden. Das menschlichen Auge hat jedoch seine physiologische Grenzen. Es ist nicht in der Lage ultraviolettes oder infrarotes Licht wahrnehmen zu können, während die Technik im Spektrometer das bewerkstelligen kann. In Abb.1.2/1.3 erkennt man bei der Glühlampe deutlich Wellenlängenanteile im Infrarot, und bei der Metalldampflampe (siehe Abb.3.1/3.2) Anteile im ultraviolett, die man im Kreuzgitterspektrum nicht erkennen kann.

Man kann jedoch nicht sagen, welche Methode sich besser eignet, da es vom Betrachtungsschwerpunkt abhängt. Für qualitative Analysen reicht das Wahrnehmungsvermögen völlig aus, um ein sichtbares Spektrum ausreichend beschreiben und mit anderen Eindrücken vergleichen zu können. Eine große Schwäche hierfür ist, dass die Wahrnehmung subjektiv ist. Der Vorteil des Spektrometers ist, dass es die Messung und Aufzeichnung des Spektrums von der Wahrnehmung entkoppelt. Das digitale Spektrum quantifiziert unsere Wahrenehmung durch die Wellenlängenaufteilung auf der X-Achse (physiologisch; der Farbeindruck)und die Intensität auf der Y-Achse (physiologisch; der Helligkeitseindruck). Die Messung mit dem Spektrometer ist jedoch gleichermaßen mit Unsicherheiten verbunden. Der richtige Abstand zur Lichtquelle, damit eine Intensitätsüberhöhung nicht auftritt, ist wichtig für eine lineare Messung. Darüberhinaus kann das Spektrometer nur ein bestimmtes Maß an Photonen für die Intensitätsmessung zählen, ehe der Sensorchip überlastet wird. Das menschliche Auge ist an derartige Begrenzungen nicht gekoppelt.

Farbe und Wellenlänge

Der Farbbegriff und die physikalische Größe Wellenlänge sind zwar miteinander verknüpft, müssen aber voneinander stark abgegrenzt werden. Farbe an sich stellt keine physikalische Größe dar, sondern einen Sinneseindruck, der dadurch entsteht, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge in das Auge gelangt und auf der Netzhaut einen Farbreiz auslöst. Die Netzhaut ist nur im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 780 nm reizbar, welchen man auch den "sichtbaren Bereich" nennt. Welche Farbe der Beobachter wahrnimmt, hängt von den spektralen Eigenschaften der Lichtquelle und seiner Netzhaut. Die Netzhaut besteht aus drei Arten von Zapfen, die jeweils die Farbreize Rot, Blau und Grün wahrnehmen. Farbreize, die Mischfarben (wie z.B Violett) adressieren, werden durch Überlagerung mehrerer Farbreize erzeugt (z.B. Violett = Rot + Grün). Das menschliche Auge ist besonders für grüne und gelbe Farbreize empfindlich, während rote, blaue und violette Farbreize im Vergleich dazu schwächer wahrgenommen werden[12]. Aufgrund des Zusammenhangs des Farbreizes mit der konjugierten Wellenlänge des Lichts im sichtbaren Bereich, wird daher oft von "farbigen Licht" gesprochen. Diese Art der Beschreibung vereinfacht beispielsweise die Auswertung von Spektren im sichtbaren Bereich, denn anstatt in Wellenlängendomänen zu unterteilen, reicht eine Unterteilung in Farbdomänen, welche dann im VIS-Spektrum (siehe Kreuzgitterspektren) qualitativ gut beschreibbar sind.

Farbreiz Wellenlänge λ in nm
Infrarot ab 780
Rot 640 bis 780
Orange 600 bis 640
Gelb 570 bis 600
Grün 500 bis 570
Blau 450 bis 490
Violett 405 bis 450
Ultraviolett unter 400

Quelle: Unihedron, 2009 [13]

Dass wir einen farbigen Sinneseindruck des Kreuzgitterspektrums erhalten, liegt an der Spektralzerlegung der Lichtquelle. Das Licht wird entsprechend der Interferenzbedingung, die für jede seperat Wellenlänge erfüllt werden muss, entsprechend der Wellenlängenanteile zerlegt, welche wiederum anschließend in der Lage sind auf unserer Netzhaut einen Farbreiz auszulösen. Die getrennten Farbeindrucke beruhen darauf, dass das Licht ohne weitere Einwirkungen diesen Farbreiz auslöst. Das bedeutet konkret, dass das aufgespaltene Licht nur mit Licht seiner Domäne interferieren kann, während Interferenz mit domänenfremden Licht nicht möglich ist. Würden alle Wellenlängendomänen miteinander interferieren können, so würde der Farbeindruck Weiß entsprechen (alle Zapfen auf der Netzhaut werden gleichzeitig gereizt) oder Schwarz (keine Zapfen werden gereizt), was jedoch nicht der Fall ist. Auf diesem Mechanismus beruht auch die Tatsache, dass man alle Spektralfarben des Sonnenlichts bei einem Regenbogenereignis getrennt voneinander wahrnehmen kann.

Sicherheitshinweise

  • Das Glasfaserkabel des USB-Spektrometers ist sehr empfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen und kann brechen. Es sollte niemals geknickt, gerade gezogen oder der kritische Kurvenradius unterschritten werden. Die Gebrauchsanweisung erklärt den Umgang mit dem Glasfaserkabel genau.
  • Die Kappe des Glasfaserkabels sollte stehts das Kabel verschließen, wenn mit dem Spektrometer nicht gemessen wird.

Literatur

  1. Niggli, A.: Lernarrangements erfolgreich planen. Didaktische Anregungen zur Gestaltung offener Unterrichtsformen. Aarau (Sauerländer) 2000
  2. Roland Bauer: Schülergerechtes Arbeiten in der Sekundarstufe I: Lernen an Stationen. Berlin (Cornelsen Scriptor.) 1997
  3. Roland Bauer: Schülergerechtes Arbeiten in der Sekundarstufe I: Lernen an Stationen. Berlin (Cornelsen Scriptor.) 1997
  4. Roland Bauer: Schülergerechtes Arbeiten in der Sekundarstufe I: Lernen an Stationen. Berlin (Cornelsen Scriptor.) 1997
  5. http://www.perspektrum.de/3d-brillen/brillen-multispektral.htm
  6. http://www.horiba.com/us/en/scientific/products/optics-tutorial/diffraction-gratings/#c3712
  7. Dieter Meschede: Gerthsen Physik. 24. überarbeitete Auflage. Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-12893-6, S. 504–505.
  8. https://www.popella.de/licht/farbfolien?p=1
  9. https://oceanoptics.com/product/usb2000-custom/
  10. https://www.ld-didactic.de/service/softwaredownload/weitere-software.html
  11. http://www.ewald-gerth.de/Weber-Fechner.pdf
  12. the Stockman & Sharpe (2000) 10° quantal cone fundamentals
  13. * Poster "Electromagnetic Radiation Spectrum" (PDF, englisch; 992 kB)

Siehe auch

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